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암석권

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목차

1. 개요

암석권은 지구의 가장 바깥쪽 단단한 층으로, 지각과 맨틀의 최상부를 포함한다. 1911년 A. E. H. 러브에 의해 개념이 처음 제시되었으며, 조셉 바렐에 의해 '암석권'이라는 용어가 도입되었다. 암석권은 해양 암석권과 대륙 암석권으로 나뉘며, 판 구조론의 핵심 요소이다. 해양 암석권은 해양 지각과 맨틀로 구성되며, 대륙 암석권은 대륙 지각으로 구성된다. 암석권의 두께는 지진과 같은 짧은 시간 척도의 힘과 빙하와 같은 긴 시간 척도의 힘에 따라 다르게 측정될 수 있다. 맨틀 포획암 연구를 통해 대륙 하부 맨틀의 특성을 연구하며, 암석권 상부는 미생물의 서식지이기도 하다.

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암석권

2. 리소피어의 개념과 역사

암석권(리소피어)을 지구의 강한 외층으로 보는 개념은 1911년 영국의 수학자 A. E. H. 러브가 그의 저서 "지구역학의 몇 가지 문제"에서 처음 기술했으며, 미국의 지질학자 조셉 바렐에 의해 더욱 발전되었다. 조셉 바렐은 이 개념에 대한 일련의 논문을 작성하고 "암석권"이라는 용어를 도입했다.[4][5][6][7] 이 개념은 대륙 지각에서 나타나는 상당한 중력 이상 현상을 바탕으로, 유동성을 가질 수 있는 더 약한 층(연약권) 위에 강하고 단단한 상부 층(암석권)이 존재해야 한다고 추론했다. 1940년 캐나다의 지질학자 레지널드 올드워스 데일리의 저서 "지구의 강도와 구조"에서 이 아이디어가 확장되었고,[8] 이후 지질학자들과 지구물리학자들에 의해 광범위하게 받아들여졌다. 강한 암석권이 약한 연약권 위에 놓여 있다는 개념은 판 구조론의 핵심이다.

3. 리소피어의 종류

지구의 암석권은 단단한 외층으로, 지각과 암석권 맨틀, 그리고 대류하지 않는 맨틀의 최상부를 포함한다. 암석권은 더 약하고 뜨거우며 깊은 곳에 있는 연약권에 의해 지지된다. 암석권은 탄성적으로 변형되고 취성 파괴를 통해 변형되지만, 연약권은 점성적으로 변형되고 소성 변형을 통해 변형된다.

암석권의 두께는 취성 거동과 점성 거동 사이의 전이와 관련된 온도까지의 깊이로 간주된다. 감람석이 연성이 되는 온도(약 1000°C)는 상부 맨틀에서 가장 약한 광물이기 때문에 이 온도를 기준으로 암석권의 두께를 설정하기도 한다.[2][3]

암석권은 수평적으로 여러 판으로 나뉘며, 이 판들은 서로 다른 판에서 부착된 지형을 포함하기도 한다. 암석권은 크게 해양 암석권과 대륙 암석권으로 나뉜다.

다양한 암석권 유형


해양 암석권과 대륙 암석권에 대한 자세한 내용은 각각의 하위 문단을 참조.

3. 1. 해양 리소피어

해양 암석권은 해양 지각(평균 밀도 약 2.9g/cm3)과 상부 맨틀의 일부로 구성되며, 주로 고철질 지각과 초고철질 맨틀(감람암)로 이루어져 있어 대륙 암석권보다 밀도가 높다.[9] 해령에서 생성된 젊은 해양 암석권은 지각 두께와 다르지 않지만, 해령에서 멀어지면서 시간이 지남에 따라 냉각되고 두꺼워진다. 가장 오래된 해양 암석권은 일반적으로 약 140km 두께이다.[3]

이러한 두꺼워짐은 전도 냉각에 의해 발생하며, 이는 뜨거운 연약권을 암석권 맨틀로 변환시키고 해양 암석권이 시간이 지남에 따라 점점 더 두껍고 밀도가 높아지게 한다. 해양 암석권의 맨틀 부분의 두께는 시간의 제곱근으로 두꺼워지는 열 경계층으로 근사할 수 있다.

: h \, \sim \, 2\, \sqrt{ \kappa t }

여기서, h는 해양 맨틀 암석권의 두께이고, \kappa는 규산염 암석의 열 확산율 (약 10-6 m²/s)이며, t는 주어진 암석권 부분의 나이이다. 나이는 종종 L/V와 같은데, L은 해령의 확장 중심으로부터의 거리이고, V는 암석권 판의 속도이다.[11]

해양 암석권은 수천만 년 동안 연약권보다 밀도가 낮지만, 이후 연약권보다 점점 더 밀도가 높아진다. 화학적으로 분화된 해양 지각은 연약권보다 가볍지만, 맨틀 암석권의 열팽창으로 인해 연약권보다 밀도가 높아진다. 성숙한 해양 암석권의 중력 불안정성은 섭입대에서 해양 암석권이 항상 해양 또는 대륙일 수 있는 덮개 암석권 아래로 가라앉는 결과를 가져온다. 새로운 해양 암석권은 해령에서 지속적으로 생성되고 섭입대에서 맨틀로 재활용된다. 결과적으로 해양 암석권은 대륙 암석권보다 훨씬 젊다. 가장 오래된 해양 암석권은 약 1억 7천만 년 된 반면, 대륙 암석권의 일부는 수십억 년이 되었다.[12][13]

3. 2. 대륙 리소피어

대륙 암석권은 대륙 지각(평균 밀도 약 2.7g/cm3)과 상부 맨틀의 일부로 구성되며, 두께는 약 40km에서 280km까지 다양하다.[3] 대륙 암석권의 상부 약 30km 에서 50km는 지각에 해당한다. 지각은 모호면에서 발생하는 화학적 조성의 변화에 의해 상부 맨틀과 구별된다. 오래된 대륙 암석권은 순상지 아래에 두껍게 발달하며, 그곳의 맨틀 암석권은 일반적인 경우보다 더 두껍고 밀도가 낮다. 이러한 맨틀 "순상지 뿌리"의 비교적 낮은 밀도는 이러한 지역을 안정시키는 데 도움이 된다.[12][13]

대륙 암석권은 밀도가 낮아 섭입대에 도달하더라도 약 100km 이상 섭입할 수 없고 다시 표면으로 올라온다. 그 결과, 해양 암석권이 재활용되는 방식처럼 섭입대에서 재활용되지 않는다. 대신, 대륙 암석권은 지구의 거의 영구적인 특징이다.[19][20]

4. 리소피어의 두께

암석권의 두께는 지구화학적 성질이 아닌 지구물리학적 구분으로, 가해지는 힘에 대한 물리적인 응답으로 정의된다. 따라서 측정 방법에 따라 다양한 값을 가진다.[2]

짧은 시간 척도의 힘(예: 지진)에 대해서는 깊은 곳도 탄성적으로 반응하여 암석권이 두껍게(때로는 수백 킬로미터) 측정될 수 있다. 반대로 긴 시간 척도의 힘(예: 대륙 빙하)에 대해서는 얕은 부분만 탄성적으로 반응하여 암석권이 얇게(수십 킬로미터) 측정될 수 있다. 일반적으로 암석권의 두께는 후자를 가리키지만, 명확하게 정해진 값은 아니다. 또한, 암석권의 두께는 하중의 공간 척도에도 크게 의존한다.

5. 리소피어와 생명체

암석권의 상부는 미생물의 거대한 서식지이며, 일부는 지구 표면 아래 3km 이상에서 발견된다.[23]

참조

[1] 서적 Physical Geology John Wiley & Sons
[2] 논문 Mantle Convection and the thermal structure of the plates http://www.earth.ox.[...]
[3] 웹사이트 Lithospheric Thickness Modeled from Long Period Surface Wave Dispersion https://e-reports-ex[...] 2008-05-15
[4] 논문 The strength of the Earth's crust 1914
[5] 논문 The strength of the Earth's crust 1914
[6] 논문 The strength of the Earth's crust 1914
[7] 논문 The strength of the Earth's crust 1914
[8] 문서 Strength and structure of the Earth Prentice-Hall 1940
[9] 서적 Principles of igneous and metamorphic petrology Cambridge University Press 2009
[10] 문서 Geodynamics Cambridge University Press 2002-03-25
[11] 서적 Subduction: Top to Bottom 1996
[12] 논문 Composition and development of the continental tectosphere 1978
[13] 논문 Ultradeep continental roots and their oceanic remnants: A solution to the geochemical "mantle reservoir" problem? 2009
[14] 논문 Derivation of Large Igneous Provinces of the past 200 million years from long-term heterogeneities in the deep mantle 2004
[15] 논문 4-D evolution of SE Asia's mantle from geological reconstructions and seismic tomography 2004
[16] 논문 A new global model for P wave speed variations in Earth's mantle 2008
[17] 논문 Structure and formation of the continental tectosphere
[18] 논문 The Nature of Deep Focus Earthquakes
[19] 논문 Metamorphism, partial preservation, and exhumation of ultrahigh-pressure belts 1999-06
[20] 논문 Subduction zones
[21] 문서 Mantle xenoliths J. Wiley & Sons 1987
[22] 논문 Physical, chemical, and chronological characteristics of continental mantle 2005
[23] 웹사이트 Scientists discover staggering amount of life deep below Earth's surface https://www.astronom[...] 2018-12-11


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